王軍奎，張葉同，2，張 豪，康一鳴，史 健

（1.許繼集團有限公司，河南許昌 461000；2.華北電力大學機械工程系，河北保定 071003；3.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責任公司，北京 100085）

0 引言

智能制造是國家振興實體經(jīng)濟，促進制造業(yè)高質量發(fā)展，實現(xiàn)制造強國的長期戰(zhàn)略。從企業(yè)的角度講，實施智能制造也是轉型升級、可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路[1-2]。

但是，智能制造由于投資大、建設周期長等原因，不能簡單地一哄而上。從制造業(yè)現(xiàn)狀來看，生產(chǎn)線的智能化升級成本讓很多企業(yè)望而卻步。中國大部分企業(yè)目前仍停留在“工業(yè)2.0”及“工業(yè)3.0”階段，智能制造則大致對應著“工業(yè)4.0”階段，從“工業(yè)2.0”或“工業(yè)3.0”跨越到“工業(yè)4.0”，意味著需要投入大量的資金去做生產(chǎn)設備及運營流程的升級改造，一般的中小型企業(yè)難以承擔，且不科學[3]。

從智能化升級來看，由于技術產(chǎn)品升級迭代快，現(xiàn)有的產(chǎn)線不足以支撐新產(chǎn)品、新技術的升級，或新機器、新設備簡單地一擁而上，又導致存量產(chǎn)線設施過早退役，最終形成老舊設備或閑置設備[4]。據(jù)有關資料介紹，2018 年全國國有企業(yè)資產(chǎn)總額210.4 萬億元，閑置設備約占總資產(chǎn)的20%，即有40 萬億元左右的設備是閑置的無價值的，且年折舊費驚人，增大了企業(yè)的運營成本[5]。

此外，由于制造型企業(yè)的業(yè)務特殊性，市場上不一定有完全滿足企業(yè)需要的生產(chǎn)設備。針對以上情況，本文提出了產(chǎn)線“小微改造”概念，作為智能制造內(nèi)涵的擴展延伸，建立了設備全壽命周期成本精益化數(shù)學模型，以等年值法對成本模型進行換算，并基于費用效率法構建了基于小微改造的生產(chǎn)設備全壽命周期價值模型[6-8]。通過對現(xiàn)有設備實施小微改造，解決制造型企業(yè)設備折舊過高、利用率低等運營痛點，延長資產(chǎn)生命周期、降低企業(yè)成本，將智能制造優(yōu)勢轉化為市場競爭優(yōu)勢。

1 小微改造

1.1 小微改造的含義

小微改造是指以較小投入成本，應用最新的先進技術成果和先進經(jīng)驗，對現(xiàn)有設備進行針對性改造，如給設備裝上新部件、新裝置、新附件，以改善現(xiàn)有設備的技術性能，使之達到或局部達到最為適宜的功能水平。

小微改造的功能與成本關系如圖1 所示，其中投入成本包括設備改造投入硬件和軟件成本、參與改造人員成本、改造期間停工或降產(chǎn)形成的損失等。F0表示小微改造目標是以最小投入成本Cmin時，設備所能達到最為適宜且滿足需要的功能水平。

圖1 小微改造功能與成本關系

1.2 目的和優(yōu)點

小微改造的目的是通過改善或改變設備的性能提升自動化水平，甚至是實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)采集、信息互聯(lián)互通，以提高生產(chǎn)產(chǎn)能、效率、質量，降低生產(chǎn)成本，并夯實智能制造基礎，促進企業(yè)轉型升級高質量發(fā)展。

在多數(shù)情況下，通過小微改造可使老舊、閑置設備達到新技術水平，而所需投資往往比用新設備替換要少。小微改造主要有如下優(yōu)點[9-10]：

（1）具有很大的針對性和適應性。經(jīng)過小微改造，設備更能滿足具體要求，在某些情況下甚至超過新設備，有時通過小微改造的設備，技術性能比新設備還高。因此在特殊情況下，對新設備也可以進行改造，尤其在產(chǎn)品更新?lián)Q代緩慢的條件下，具有較大的意義。

（2）對設備進行小微改造，可以收到時間短、投資少、見效快的效果，“即插即用”，不影響既有的生產(chǎn)活動。小微改造的投資一般僅占同類新設備購置費用的1%～5%。

（3）自動化水平提升減少了生產(chǎn)過程中對人工的依賴，節(jié)省一線生產(chǎn)用工。

推進智能制造過程中，小微改造能以最小投入成本實現(xiàn)設備的自動化、數(shù)據(jù)采集、互聯(lián)互通，提升企業(yè)整體運營水平。對于制造型企業(yè)來說，凡是通過小微改造能達到生產(chǎn)要求的，都應積極利用這個途徑來解決。因此，不能將小微改造看成是一項被迫的臨時措施，而應該看成是提高現(xiàn)有設備技術水平的重要的、經(jīng)常性的、有價值的、經(jīng)濟性的手段。

2 價值模型

從管理會計的角度上看，成本是指企業(yè)在生產(chǎn)經(jīng)營過程中對象化的、以貨幣表現(xiàn)的、為達到一定目的而應當或可能發(fā)生的各種經(jīng)濟資源的價值犧牲或代價。

LCC（Life Cycle Cost，全壽命周期成本）是指設備一生的總費用，是設備從論證開始一直到報廢的整個周期內(nèi)發(fā)生的全部支出費用的總和。它主要由初始投資成本CI、運行成本CO、檢修維護成本CM、故障成本CF及報廢成本CD五部分組成。全壽命周期成本模型計算方式：

小微改造可延長設備使用壽命和經(jīng)濟壽命，避免因技術敏捷迭代而提前退役造成損失，降低運行成本，同時，維護成本和故障成本也會有所下降，但相對可忽略。因此，式（1）可簡化為：

本研究結合實際，先建立設備全壽命周期成本的精益化數(shù)學模型即式（2），以等年值法對成本模型進行換算，再基于費用效率法，建立小微改造相對價值分析的費用效益模型。

等年值法就是按投資的必要報酬率將全部現(xiàn)金流量或凈現(xiàn)值換算為相當于整個壽命期內(nèi)每年平均發(fā)生的等額現(xiàn)金流量或凈等年值，再據(jù)此分析和評價投資方案的方法。

2.1 全壽命周期成本模型

2.1.1 初始投資成本模型

初始投資成本是指設備投入運行前發(fā)生的一切費用之和，包括規(guī)劃設計費用、土建費、設備購置費、運輸費、安裝及調(diào)試費、保險費等。采用等年值法將初始投資成本進行換算。

式中，C1為初始投資成本的等年值；V1為初始投資成本，等于設備購置費V0及其余初始投資成本V0'之和，即V1=V0+V0'。

2.1.2 報廢成本模型

報廢成本在LCC 中也不容忽視，設備報廢成本可以分為殘值回收收入、提前退役損失成本和處置費用3 個部分。

式中，ρ 為殘值系數(shù)或回收系數(shù)，一般取5%，負號表示相對于成本支出，收入為負值；n'為設備實際運行年限，當實際運行年限大于或等于期望使用壽命時，提前退役損失成本為零；dc為報廢處置成本現(xiàn)值。

2.1.3 運行成本模型

運行成本是指運行期間所產(chǎn)生的一切費用的總和，包括能耗費用、環(huán)境費用、維護保養(yǎng)費用及其他費用。

假設設備運營期間，每年運行成本相同，且均為設備購置費的百分比，第t（1≤t≤n）年設備的運行成本：

式中，δ 為運行成本率，一般取1%～5%。

采用等年值法進行折算，則得出式（6），即平均每年的運行成本:

2.1.4 全壽命周期成本總模型

綜上所述，經(jīng)過折算后的設備全壽命周期成本精益化等年值模型為：

由式（7）可看出，若實施小微改造延長設備期望使用壽命n或實際運行年限n'，則等年值LCC 降低。

2.2 基于費用效率法的相對價值模型

小微改造旨在以較小的投入，改善或改變設備的性能，提升自動化水平，甚至是實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)采集、信息互聯(lián)互通，以提高生產(chǎn)產(chǎn)能、效率、質量，降低生產(chǎn)成本，為企業(yè)創(chuàng)造效益。因此，可定義費用效率比即是小微改造的相對價值。

2.2.1 費用效率法

費用效率（ce）是指系統(tǒng)效率（se）與壽命周期成本（lcc）的比值。

式中，se 是投入壽命周期成本后所取得的效果或者說明任務完成到什么程度的指標。系統(tǒng)效率通常包括產(chǎn)量、質量、成本、交貨期、安全、環(huán)保和人機匹配關系等方面的經(jīng)濟效益、價值、效率。

2.2.2 相對價值模型

小微改造以提高企業(yè)效益為目標，追求以最小的投入實現(xiàn)設備所具備的功能，滿足生產(chǎn)的需求。故建立小微改造價值模型：

式中，V 表示小微改造價值，e 表示系統(tǒng)效率se，l 表示壽命周期成本lcc（包含小微改造投入成本Cmin）；式（9）存在單位不統(tǒng)一、使用局限性大等缺點，選取基準e0、l0，令:

式中，Δe、Δl 分別為設備系統(tǒng)效率se 增量、全壽命周期成本lcc 增量。將式（9）優(yōu)化為:

限于篇幅有限，系統(tǒng)效率se 的計算方法不作論述?；谛∥⒏脑斓南鄬r值模型顯著改善了傳統(tǒng)價值分析的缺點，具有適用范圍廣、可量化等優(yōu)點。

3 實踐案例

以某大型電力裝備企業(yè)的變壓器繞線機小微改造項目為例。因公司業(yè)務調(diào)整，油浸式變壓器車間5 臺已運行5 年的臥式繞線機處于閑置狀態(tài)，而干式變壓器車間繞線設備嚴重不足，限制了干變的產(chǎn)能。需分白班和夜班生產(chǎn)來彌補設備的不足，夜班人員上、下班也有很多不安全因素，另外也造成能源浪費。通過以前產(chǎn)品質量分析，大部分質量問題發(fā)生在夜班。油變和干變的繞線機組成一樣，工藝的區(qū)別僅是對繞線設備功能要求不一樣，可通過小微改造實現(xiàn)閑置設備再利用。

結合干變繞線遇到的問題和操作者提出的改進建議，重新設計觸摸屏界面，并自主研發(fā)改進PLC 控制程序，不僅解決了工藝不同的問題，而且解決了以前干變繞線機存在的缺陷，設備功能水平大幅度提升。小微改造投入費用除人工外（自主改造，可不計入成本），僅僅是控制面板（每張50 元），實現(xiàn)了自主設參、自動計數(shù)、自動預警、自動計時、實時監(jiān)控、無極變速等功能。在進行LCC 估算前，作以下假設：繞線機的初始投資成本6 萬元，其中設備購置費5 萬元；期望使用壽命n 為10 年；利率i為4.35%；運行成本率δ 為2%；退役處置成本dc 為500 元；回收系數(shù)ρ 為5%。

小微改造前，油浸式變壓器車間已運行5 年的臥式繞線機處于閑置狀態(tài)，設備實際運行年限n'為5 年。每臺繞線機的成本：LCC=CI+CD+CO=92 340 元，見表1。

表1 小微改造前繞線機LCC 計算結果

小微改造后，延長期望使用壽命n 至12 年，設備實際運行年限n'達到了10 年，每臺繞線機的LCC=CI+CD+CO+50=78 976 元，見表2。

表2 小微改造后繞線機LCC 計算結果

由表1 和表2 數(shù)據(jù)可得，ΔLCC=-13 364 元，Δl＇=-0.14。

該小微改造效益，主要有2 個指標：一是每臺繞線機日產(chǎn)出由1 套線圈提升至1.1 套；二是產(chǎn)品合格率由原來的95%提升至99%。可得：。小微改造相對價值V'=。

相對價值計算結果顯示，通過小微改造使得設備全壽命周期的相對價值提高了32%。該小微改造不僅盤活了閑置資源，提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量，滿足生產(chǎn)需求，取消干變車間夜班生產(chǎn)，降低班組管理難度，而且減少了企業(yè)新設備投資約40 萬元。通過該實踐案例驗證了小微改造效果良好。

4 結束語

分析制造企業(yè)實施智能制造的局限性，提出小微改造的基本理念以及實施小微改造的目的和優(yōu)勢。改進設備全壽命周期成本模型，結合等年值法與費用效率法，建立小微改造價值模型。通過實踐應用案例，驗證了小微改造對設備全壽命周期價值提升的有效性。